高压开关室内SF6气体浓度在线监控系统的设计

周丽荣

【摘要】 SF6 气体在高压电力设备绝缘领域的应用非常广泛，通常是被用作优良的绝缘介质和灭弧介质。随着封闭式组合电器（GIS）设备的运行，SF6 气体中的水分含量会增多，而SF6 气体会在电弧下分解，其分解物遇水会生成具有强腐蚀性的HF 和H2SO3 等，会损坏绝缘件，并降低绝缘件的阻值。这严重影响到GIS 的安全运行，会出现由绝缘性能下降而引起GIS故障的情况，那么在线监测GIS 的微水含量就非常重要，可以减少由计划检修对GIS 造成的损失，实现对GIS的维修。根据国家和电力行业内关于六氟化硫电气设备中气体湿度管理标准，提出一种适合在线监测SF6气体微水含量的方案。

【关键词】 GIS SF6 气体 在线监测

一、引言

《国家电网安全规程》规定SF6监测系统是电力开关室监测必需用具，而近些年来供、发电企业采用SF6电气设备的变电所或配电装置室数量巨大，销售额大约在1.0～2.0亿人民币之间，其市场前景非常广阔。未来20余年里我国高压开关行业会在较长时间内保持20-30%的高速增长。同时顺应国网公司发展做强做大的指导思想，GIS设备相关监测产品在国内市场的发展前景也有明显的社会效益和经济效益。鉴于GIS设备具有易于安装建设、成套性强、可靠性高、抗严酷环境、维护量小等优点，在湿热、高海拔、高寒等特殊环境条件下建高压、超高压变电站，GIS设备将是首选产品。

二、研究背景

高压开关设备中已广泛使用SF6 气体，因为其具有理想的绝缘和灭弧性能。但由于SF6气体制造、安装等质量差异以及材料老化等原因引发高压开关设备泄漏很常见。根据中国电力科学研究院统计，1990-1997年国内高压开关设备共发生故障1500次，1997-2004年共发生2412次[1]，SF6气体发生泄漏是故障的主要原因之一。高压开关设备一旦发生SF6气体泄漏，将给电力设备的安全运行和室内工作人员的安全带来严重的威胁，因此，实现对开关室内环境的在线监测、实时报警和通风控制就很重要[2]。

三、SF6气体浓度在线监测系统方案设计

3.1系统的功能

根据电力用户的需求，SF6在线监测系统的功能设计如下：1、具有实时采集氧气、温度、湿度、SF6等数据的功能；2、有效延长SF6传感器的使用寿命；3、氧气、温度、湿度、SF6衍生物及SF6等数据的实时显示[3]；4、具有数据自动存储和报警数据、历史数据查询功能；5、具有历史数据曲线显示、报警数据曲线显示等功能；6、具有灵活的参数设置功能；7、具有声光双控报警功能；8、有继电器输出，可与现有的消防报警系统连接，提供预警信号（可扩展）；9、有良好的数据传输性能和抗干扰性能；10、主机及传感器具有自检功能，一旦主机或传感器发生故障时应能发出故障报警信号并传送到集控中心的监控计算机上。

3.2系统的设计方案

由于现场应用范围广泛且多样化，SF6使用级联方式和分布式监控来构成在线监测系统的结构，第一级的设计是RTU，第二级是DI和UI，第三级是PC，各级并行工作，相互协作。整个系统的设计思路如图1所示，由数据集中器（DI）、现场终端（RTU）、现场显示控制器（UI）、远程监控中心PC机和通信链路五大块组成。

RTU利用负电晕放电技术测试SF6气体浓度，同时检测O2气体浓度、SO2气体浓度、H2S气体浓度，采集温度和湿度等与SF6气体浓度间接相关的环境数据，在高压变电站开关室内的监测点位上把原始数据传给DI是利用通信链路；DI收集各RTU的数据，并且对RTU中各传感器的数据进行融合处理和保存，然后再判断报警与否；UI与DI通过RS- 485总线连接，也方便工作人员实时的进入开关室前了解情况； PC机对各开关室实现远程监控，其内部安装了数据库和专用应用软件，与各开关室通过光纤网络实现与DI连接。

3.2.1数据集中器（DI）

DI的结构组成为：选用具有ARM7内核的32位微处理器LPC2292作为控制器；利用实时时钟SD2200提供精确时间；有两种通信模式可供选择： CAN和无线；LPC2292带有两个RS-232接口，被用在与UI通信和控制中心的PC机通信中；声、光报警和风机控制由LPC2292的I/O口经继电器隔离实现。

实时性较好的μCOS-II操作系统为DI完成复杂的数据处理和控制管理任务。DI对每个RTU数据的处理采用多传感器数据融合技术，较好地克服以前利用负电晕放电技术完成SF6气体监控系统误报警率高的缺点。

3.2.2现场终端RTU

RTU采用PIC18LF4580 MCU作为主控制器，RTU的ID用8位拨码开关设置，内部有SRAM、FLASH、EEROM、CAN总线控制器、10位多通道A/D模块、PWM定时器、看门狗等资源，这样设计可以简化外围电路。温度传感器直接与MCU的数字I/O口连接，湿度传感器、SO2气体传感器、O2气体传感器、SF6气体传感器和H2S气体传感器与MCU的A/D口连接是经调理电路后连接的。

在RTU的主程序中，数字滤波、温湿度补偿技术、负高压自适应控制和双传感器工作方式控制为数据采集与处理模块[4]。为了延长传感器的使用寿命采用双传感器的工作方式控制，也可以提高测量数据的可靠性，也可以改善因传感器放电特性变差而引起的误报警的问题，可以提升系统整体指标。

3.2.3 现场显示控制器（UI）

UI的控制核心使用的是有ARM9内核的S3C2440，外部扩展512MB NAND FLASH、16MB NOR FLASH和512MB SRAM存储器；带有EEPROM和RTC实时时钟；预留USB设备接口和SD卡接口电路；8寸真彩色液晶触摸屏，用于人机交互；人体接近自动提示功能是通过红外热释传感器和语音电路完成的。

3.2.4远程监控中心

开发控制中心SQL数据库和客户端软件来实现远程监控。系统提供用户、DI、RTU等管理功能，实现RTU数据的管理、维护和数据备份。此系统可以显示各个监测到的数据的图表、报警日志和终端工作日志等。

四、 结论

本设计利用双SF6传感器、多种传感器的数据融合技术和负高压自适应技术对以前的监测系统进行改进，很好的解决了以往在SF6传感器寿命和工作稳定性上的问题；采用DI与UI分离，应用场合变得更灵活，可以达到一个变电站多个开关室或一个开关室多个进出口。

参 考 文 献

[1] 孟忠. SF6开关室环境中SF6及氧气含量在线监测的应用研究[J]. 华北电力技术， 2005（增刊）： 1-5.

[2] 田勇. 利用激光成像技术定位检测SF6设备气体泄漏[J]. 东北电力技术， 2005（12）： 35-37.

[3]蔡声镇， 吴允平， 郑志远等. 高压变电站室内分布式SF6监测系统的研制[J]. 仪器仪表学报， 2006（9）： 1033-1036.

[4]William Stallings. 无线通信与网络[M]. 何军译. 北京： 清华大学出版社， 2004.